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Wärmeaustauscher für Gasturbinenanlagen Die Aufgaben, welche die Entwicklung
der Gasturbinenanlage stellt, liegen im allgemeinen nicht mehr auf grundsätzlichem
Gebiet. Die thermodynamischen und baulichen Grundfragen können vielmehr als gelöst
gelten. Wo noch wesentliche Aufgaben zu lösen sind, handelt es sich uni Sonderfragen,
die fast alle auf die Beseitigung von Strömungs- und anderen Verlusten hinauslaufen.
Denn kaum eine andere Kraftanlage ist in ihrem Wirkungsgrad derart empfindlich gegen
Strömungs-und Reibungsverluste wie die Gasturbinenanlage. Das wird insbesondere
verständlich, wenn man die großen Luft- und Gasmengen berücksichtigt, die bei verhältnismäßig
'kleinem Gefälle zur Erzielung großer Anlageleistungen umgewälzt werden müssen.
Besonders dringlich wird die Verminderung der Strömungsverluste im Wärmeaustauscher,
in dem Abwärme eines Gasteiles auf einen anderen Gasteil übertragen werden muß.
Ein guter thermischer Wirkungsgrad ist überhaupt nur dann erzielbar, wenn Abwärme,
die nicht mehr in mechanische Energie umgesetzt werden bann, über einen Wärmeaustauscher
mit Arbeitsmittel, das zur Wärmeaufnahme fähig ist, in den Kreislauf zurückgeführt
wird. Dieser Wärmeaustauscher (Rekuperator) gehört damit zu den bedeutungsvollsten
Anlageteilers, gleichzeitig aber auch zu den schwierigsten. Das wird klar, wenn
man berücksichtigt, daß das wärmeabgebende Mittel entspannt ist, und zwar im allgemeinen
bis zu dem niedrigsten im Kreislauf herrschenden Druck, so daß es den Wärmeaustauscher
mit geringster Dichte, d. h. größtem spezifischen Volumen durchströmt. Grundsätzlich
bestehen zwei Möglichkeiten für den Aufbau derartiger Wärmeaustauscher, nämlich
entweder eine Bauform, die man als Kastenbauform
bezeichnen -könnte,
wobei es zunächst gleichgültigist, ob man innerhalb dieses Kastens die Heizfläche
in Form von Platten oder Rohren einbaut, oder-die-Rohrbauform, in der die -Strömungswege-
durch. Rohre begrenzt sind. Diese- Rohre- brauchen dabei nicht unbedingt kreisförmigen
Querschnitt zu besitzen, sondern können auch abweichend hiervon -geformt sein."
Wesentlich ist bei dieser Rohrbauform, da:ß eine Mehrzahl dünner Rohrt von weiteren
Rohren umgeben ist, die den Strömungskanal für das eine der beiden in Wärmeaustausch
tretende Mittel nach außen begrenzen. Die Zwischenräume, zwischen diesen äußeren
Rohren sind abgesperrt, so daß also zwischen diesen äußeren Rohren keine Strömung
besteht. Der'Grund für diese Maßnahme liegt darin, daß man auf diese W eise die
günstigste Strömungsgeschwindigkeit.des..einen Arbeitsmittels erzielen kann. Der
Gesamtquerschnitt .der -Innen- -rohre ist durch den Zustand und d ie zu erwartende
Zustandsänderung des darin strömenden Mittels gegeben, ebenso der Gesamtquerschnitt,
der :dein außen strömenden Mittel zur Verfügung gestellt werden muß. Beide weichen
stark voneinandier äh; so daß. man nur dann zu richtigen Ouerschnittswerten gelangt,
wenn man einen 'Teil des äußeren Querschnittes absperrt.
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Es kommt aber noch eine andere Überlegung hinzu. Bei Rohrwärmeaustauschern
dieser Art ergibt es sich gewissermaßen zwangsläufig, daß das eine der beiden inWärmeaustausch
tretendenM Mittel im Querstrom zu- und abströmen mwA Es erleidet also sowohl beim
Zuströmen wie beim Abströmen eine Ablenkung um go°. Die Bemessung der Zu-und Abströmquerschnitte
ist. von.außerordentlieher_ Bedeutung. Nur wenn sie hinreichend groß sind, wird
man geringe Verluste erwarten können. Man hat sich zum Teil dadurch zu helfen- versucht,
daß man die Zu- und Abströmung unterteilte, so daß ein Teil des Arbeitsmittels von
außen nach innen und ein anderer Teil von innen nach außen im Querstrom zu- und
abfließt. Das ergibt aber schwierige Bauformen. Sehr günstig ist dagegen die Lösung
der Erfindung, die darin besteht, daß jeweils eine Mehrzahl dünner Rohre durch weite
Rohre umgeben ist, die in Rohrböden eingewälzt sind, wobei diese Rohrböden die Ouereinströmungs-und
=abströmungskammern nach innen begrenzen.
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Diese Bauform vereinigt zwei bedeutungsvolle Eigenschaften, nämlich
sehr gute Ausnutzung des Raumes des Wärmeaustauschers, d. h. geringste Toträume,
mit hoher Festigkeit. Gerade dieser letzte Umstand ist dann wertvoll, wenn es sich
um Gasturbinenanlagen handelt, bei denen infolge einer entsprechenden Führung des-
Verfahrens die Drücke weit über Atmosphärendruck liegen, so daß zur Frage der geringsten
Verluste auch noch die Frage der mechanischen Festigkeit hinzutritt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. i in einem Längsschnitt
und in Fig. 2 in einem Querschnitt dargestellt.
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Das zu erhitzende, unter höheren Druck stehende. Arbeitsmittel tritt
durch den Stutzen i in eine Kammer 2 ein und durchströmt die Rohrbündel 3, die in
einem Rohrboden ::l eingewalzt sind. - Ein entsprechender Rohrboden`5 ist am Abströmende
vorhanden, der die Abströmkammer 6 mit dem AbstrÖmstutzen..7 -abschiieß't. Das wärmeabgebende,
unter geringem Druck stehende Mittel strömt durch den Stutzen 8 zu, und zwar im
Quferstrom zu den Rohren 3. Zur Begrenzung des Strömungsquer-:schnittes, die erforderlich
ist, um eine bestimmt, Strömungsgeschwindigkeit sicherzustellen, dienen Rohreg,
die gemäß der Erfindung in Rohrböden io und i,i eingewalzt sind. Diese Rohrböden
bilden die innere Begrenzung der Zuströmungskammern 12 und :i3. Die zwischen den
Rohren 9 frei bleibenden Zwickel 14 sind abgesperrt, so daß in ihnen keine Strömung
-stät*ffiiridet.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fib. 3 dargestellt, die
Verbesserungen der zuerst besprochenen Ausführungsform nach verschiedenen Richtungen
hin zeigt.
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Der Grundaufbau ist wieder der gleiche. Es ist jeweils eine Mehrzahl
dünner Rohre 3 von weiteren Rohren umgeben, wobei die Rohre 3 in Rohrböden q und-.
5, --die Rohre 9 in Rohrböden io und i i eingesetzt, etwa eingewalzt sind. Aber
man sieht, daß bereits insofern ein wesentlicher Unterschied vorhanden ist, als
,die Zu- und Abströmung der diinnen Rohre in Richtung der Rohrachse liegt, die Strömungsumkehr
um go°, die im Falle der Fig. i vorlag, also in Fortfall gekommen ist. Die Vermeidung
starker Umlenkungen ist aber gleichbedeutend mit der Vermeidung schädlicher Wirbelverluste.
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Es war bereits darauf hingewiesen, daß die Bereitstellung genügend-
großer Querschnitte für die Ouereinströmung und Querabsträmung - des einen der"
beiden in Wärmeaustausch tretenden Mittel eine bedeutungsvolle Aufgabe sei. Diese
ist bei der Form nach Fig. 3 in' besonders vollkommener Weise durch die sehr großen
Einströmungskammern 12- und 13 gelöst, in denen -sich die zunächst geschlossene,
aus dem Eintrittsstutzen kommende Eintrittsströmung entsprechend ausbreiten bzw.
der abfließende Strom sich stetig auf den Querschnitt des Austrittsstutzens zusammenschließen
kann. Diese großen Kammern 12 und 13 urnschließen jetzt die Sammelkammern 15 und
zt6, in welche die Rohre münden. Die Rohrbaden 4 und 5 hängen also gewissermaßen
frei an -den Wänden der Kammern 15 und 16 und sind damit von allen Kräften entlastet,
die sonst aus dem Zusammenbau der Rohrböden mit dem Außengehäuse entstehen können.
Die Bauform bietet weiter den sehr großen Vorteil, daß man die Rohrböden 4, 5 abstützen
`kann. Zu diesem Zweck sind Spannschrauben 17 und 18 vorgesehen, deren Führungsbuchsen
von Rippen ig und 2o getragen werden. Die 'Unterstützunä der Rohrböden in ihrer
Mitte verkleinert die entstehenden Durchbiegungen und damit die in ihnen entstehenden
Spannungen ganz wesentlich.
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Anordnungen, die in ihren einzelnen Zonen so stark verschiedenen Temperaturen
ausgesetzt sind wie ein derartiger Wärmeaustauscher, unterliegen stärken Dehnungen,
deren Beherrschung nicht
immer einfach ist. Im vorliegenden Fall
ergibt sich jedoch eine sehr befriedigende Lösung, daß in die Wandung 2 1 eine Dehnungswelle
22 eingeschaltet wird, die deshalb besonders wirksam ist, weil ihr Abstand von der
Mittelachse des Wärmeau -tauschers, d. h. der Hebelarm, mit dem die dehnende Kraft
angreift, sehr groß gemacht werden kann.